Metabolismus aminokyselin II. Močovinový cyklus
Osnova Zdroje dusíku jako odpadního produktu metabolismu aminokyselin. Meziorgánový tok aminokyselin. Zdroje aminodusíku pro močovinový cyklus Sled reakcí močovinového cyklu. Napojení močovinového cyklu na Krebsův cyklus. Genetické poruchy močovinového cyklu.
Klíčové body Odbourání aminokyselin vede k produkci močoviny, která je netoxickým nosičem atomu dusíku. Močovina se syntetizuje v játrech. Aminokyseliny alanin a glutamin jsou nosiči aminodusíku z periferních tkání do jater. Klíčovými enzymy pro odstranění dusíku jsou transaminázy, glutamátdehydrogenáza a glutamináza. Močovinový cyklus se skládá ze čtyř kroků a zabudovává dusík do močoviny z amoniaku a z aspartátu. Genetické poruchy močovinového cyklu vedou ke vzniku hyperamonémie, stavu, který je toxický pro nervovou soustavu a vývoj.
Dusíková bilance Tkáňové proteiny Puriny, hem, atd. Energie Proteiny z potravy Hotovost aminokyselin Vyloučení jako močovina a NH 4 Množství dusíku přijatého v potravě je v rovnováze s vylučováním jeho ekvivalentního množství. Asi 80% vyloučeného dusíku je ve formě močoviny.
Exkreční formy dusíku a) b) c) NH 4 amonný iont močovina kyselina močová a) přebytek NH 4 se vyloučí jako amoniak (bakterie, vodní obratlovci nebo larvy obojživelníků), b) močovina (mnoho suchozemských obratlovců), c) nebo kyselina močová (ptáci a suchozemští plazi)
Amoniak musí být odstraňován: Toxicita NH 3 CNS reakce s a-kg (glutamátdehydrogenázová reakce), snížení jeho dostupnosti pro citrátový cyklus kolaps CC a následně i syntézy ATP. Koncentrace NH 3 stoupá při poškození jater nebo vrozené metabolické poruše třes, nezřetelná řeč, rozmazané vidění, koma a smrt. Normální koncentrace amoniaku v krvi: 30-60 µm/l
Zdroje NH 4 pro močovinový cyklus Katabolismus aminokyselin: trávicí enzymy proteiny z odloučených buněk povrchu GIT svalové proteiny hemoglobin intracelulární proteiny (poškozené, nepotřebné)
Přehled katabolismu aminokyselin u savců 2 MOŽNOSTI 1. Opětovné využití 2. Močovinový cyklus
Přehled katabolismu aminokyselin - Střevo meziorgánový vztah vstřebávání AK z potravy jako zdroj energie využívány AK glutamin a asparagin endogenní produkty metabolismu CO 2, NH 4, alanin, citrulin zdroj energie při hladovění glutamin aminokyseliny z potravy a metabolity uvolňovány do portálního oběhu.
Přehled katabolismu aminokyselin meziorgánový vztah Játra syntéza jaterních a plasmatických proteinů katabolismus AK glukoneogeneze ketogeneze větvené AK se neodbourávají syntéza močoviny uvolňování aminokyselin do oběhu 2 3x více větvených AK (% objemu)
Přehled katabolismu aminokyselin Ledviny meziorgánový vztah glutamin jako zdroj energie glutamin na a-kg a NH 4 a-kg pro glukoneogenezi NH 4 exkrece nebo syntéza argininu v močovinovém cyklu exkrece NH 4 pufrační systém - regulace systémové acidémie [NH 4 ] : [NH 3 ] = 100 : 1 (pk 9.25)
Přehled katabolismu aminokyselin Kosterní svaly meziorgánový vztah syntéza svalových proteinů katabolismus větvených AK - zdroj energie aminoskupina transportována jako glutamin a alanin (50 % všech uvolněných AK) alanin játra, glukoneogeneze glutamin ledviny
Zdroje NH 4 pro močovinový cyklus
Důležité reakce pro odstranění NH 4 NH 4 NH 4 a-ketoglutarát glutamát glutamin NH 4 NH 4 A. Glutamátdehydrogenáza glutamát NAD(P) H 2O a-ketoglutarát NH 4 NAD(P)H z transaminačních reakcí B. Glutaminsyntetáza (játra) přímo do močovin. cyklu ATP ADP glutamát NH 4 Glutamin (puriny, pyrimidiny, regulace ph) C. Glutamináza (játra, ledviny) glutamin H 2 O glutamát NH 4
Glutamátdehydrogenáza Aminoskupina z mnoha a- aminokyselin se shromažďuje v játrech ve formě aminoskupiny L- glutamátu. Oxidativní deaminace glutamátu (glutamátdehydrogenáza) uvolnění NH 4 (mitochondrie) v játrech. Jaterní glutamátdehydrogenáza - jediná schopna využívat NAD i NADP jako akceptory redukujících ekvivalentů.
Transdeaminace - kombinované působení transaminázy a glutamátdehydrogenázy
Odstranění dusíku z aminokyselin Krok 1: odstranění aminoskupiny Krok 2: přesun do jater Krok 3: vstup do mitochondrie Krok 4: příprava dusíku pro vstup do močovinového cyklu Krok 5: močovinový cyklus
Krok 1: odstranění aminoskupiny Přenos aminoskupiny aminokyseliny na a-ketokyselinu původní AK se mění na a-ketokyselinu a naopak:
Transaminaci katalyzují transaminázy (aminotransferázy) s koenzymem pyridoxalfosfátem: aminokyselina pyridoxalfosfát Schiffova báze
Krok 2: přesun aminoskupiny do jater Nejvýznamnější transportní forma aminodusíku v krvi - glutamin játra, ledviny Mitochondrie hepatocytů glutamináza uvolnění NH 4, glutamin glutamát. NH 4 do močovinového cyklu močovina.
Glukózo-alaninový cyklus
Sval
Zdroje glutamátu a NH 4 pro močovinový cyklus v játrech (1)
Zdroje glutamátu a NH 4 pro močovinový cyklus v játrech (2) Mitochondrie, močovinový cyklus
Látky dopravující aminodusík 1. Glutamát přenáší jednu aminoskupinu UVNITŘ buněk: transaminázy: přenos aminoskupiny na a-ketoglutarát glutamát Glutamátdehydrogenáza opačná reakce 2. Glutamin přenáší dvě aminoskupiny MEZI buňkami uvolní je v játrech 3. Alanin přenáší aminoskupinu ze tkání (svalů) do jater
3 krok: vstup dusíku do mitochondrie
Reakce vzniku karbamoylfosfátu
Krok 4: příprava dusíku pro vstup do močovinového cyklu
Krok 5: močovinový cyklus - ornithintranskarbamoyláza - argininosukcinátsyntáza - argininosukcinátlyáza - argináza
Aspartát-argininosukcinátový zkrat do citrátového cyklu (oxalacetát aspartát)
Močovinový cyklus opakování, sled reakcí Karbamoylfosfát - jeho tvorba v mitochondriích je nezbytným předpokladem pro močovinový cyklus (karbamoylfosfátsyntetáza) Citrulin tvorba z karbamoylfosfátu a ornithinu (ornithintranskarbamoyláza) Aspartát poskytuje další dusík pro tvorbu argininosukcinátu v cytosolu (argininosukcinátsyntháza) Tvotba argininu a fumarátu (argininosukcinátlyáza) Hydrolýza argininu na močovinu a ornithin (argináza)
Bilance močovinového cyklu NH 4 HCO - 3 2ATP karbamoylfosfát 2ADP Pi karbamoylfosfát ornithin citrulin Pi citrulin ATP aspartát argininosukcinát AMP PPi argininosukcinát arginin fumarát arginin močovina ornithin Celkem: 2NH 4 HCO 3-3ATP močovina 2ADP AMP 4P i 2-
Regulace močovinového cyklu Aktivita je regulována na dvou úrovních: potravou jsou primárně proteiny hodně močoviny (aminokyseliny se využijí jako zdroj energie) Dlouhodobé hladovění odbourávání svalových proteinů hodně močoviny také Rychlost syntézy čtyř enzymů močovinového cyklu a karbamoylfosfátsyntetázy I (CPS-I) v játrech je regulována změnami danými požadavky na aktivitu močovinového cyklu.
Regulace močovinového cyklu Velmi rychle se enzymy syntetizují během hladovění u diety s vysokým obsahem proteinů Pomalu se enzymy syntetizují u dostatečné stravy obsahující cukry a tuky u bezproteinové diety
Regulace močovinového cyklu N-acetylglutamová kyselina alosterický aktivátor CPS-I Vysoká koncentrace Arg stimulace N-acetylace glutamátu acetyl-coa
Enzymatické poruchy močovinového cyklu
Toxicita amoniaku Jaterní encefalopatie Vysoká hladina amoniaku v krvi a jiných biologických tekutinách difúze amoniaku do buněk, přes hematoencefalickou bariéru zvýšená syntéza glutamátu z a-ketoglutarátu, zvýšená syntéza glutaminu. vyčerpání a-ketoglutarátu z CNS inhibice citrátového cyklu a produkce ATP. Neurotransmitery glutamát (excitační) a GABA (inhibiční), mohou přispívat k nežádoucím účinkům na CNS bizarní chování.
Deficience N-acetylglutamátsyntházy: Nedostatek nebo genetická mutace enzymu (AR) selhání močovinového cyklu. Těžká novorozenecká porucha s fatálními následky, není-li zjištěna ihned po porodu. Hyperamonémie a celková hyperaminoacidemie u novorozenců (játra nejsou schopná syntetizovat N-acetylglutamát). Mezi časné příznaky patří apatie, zvracení a hluboké bezvědomí. Léčba: podává se strukturální analog N-karbamoyl-L-glutamát aktivuje CPS-I, snižuje intenzitu poruchy.
Hyperamonémie I (porucha CPS I) AR metabolická porucha, spojená s rozvojem mentální retardace a vývojovým opožděním. Hyperamonémie je pozorována u 0 50% množství syntetizované CPS-I v játrech oproti normálu. Léčba: podává se benzoát a fenylacetát, vzniklý hippurát a Phe-Ac- Gln se vyloučí močí:
Hyperamonémie II (porucha ornithintranskarbamoylázy, OTC): Nejčastější, nejobvyklejší porucha močovinového cyklu, v důsledku zmutované a neúčinné formy enzymu. Závažné důsledky Recesivní na X chromosom vázaná porucha, způsobená řadou různých mutací genu pro OTC u mužů je porucha závažnější než u žen (ženy jsou asymptomatickými heterozygoty). Dochází k mentální retardaci a zpoždění vývoje.
Citrulinémie; citrulinurie - porcha argininsukcinátsyntetázy AR metabolická porucha, neschopnost kondenzace citrulinu s aspartátem. Hromadění citrulinu v krvi, ve velkém množství je citrulin vylučován do moči. Citrulinemie typu I - obvykle se projevuje v prvních dnech života. Citrulinemie typu II - příznaky a symptomy se obvykle projeví až v dospělosti a postižen je hlavně nervový systém. Léčba specifická náhrada argininem pro syntézu proteinů a tvorbu kreatinu a ornithinu.
Argininosukcináturie - porucha argininosukcinátlyázy Vzácné AR onemocnění, argininosukcinát je vylučován ve velkém množství do moči. Závažnost příznaků se značně liší, je proto těžké určit vhodnou terapii - vhodné je dietní omezení dusíku. Argininémie - porucha arginázy Vzácné AR onemocnění, vzniká řada abnormalit ve vývoji a funkci CNS. Hromadění Arg v krvi a vylučování Arg a prekurzorů a produktů jeho metabolismu v moči. Léčba dieta s nízkým obsahem dusíku s obsahem esenciálních aminokyselin.
Hlavní zdroje pro přednášku: D. L. Nelson, M. M. Cox : LEHNINGER. PRINCIPLES OF BIOCHEMISTRY Sixth Edition: Link http://bcs.whfreeman.com/lehninger6e/#824263 839453 Marks Basic Medical Biochemistry A Clinical Approach. Fourth Edition M. Lieberman, A.D. Marks ed., 2013 J.G. Salway: Metabolism at a Glance. Third Edition.